温石棉细小纤维性能及其对石棉胶乳抄取板质量的影响

2010-09-07夏新兴成艳娜

中国造纸 2010年2期

关键词：转数磨浆石棉

夏新兴成艳娜

(陕西科技大学造纸工程学院,陕西西安,710021)

·石棉胶乳抄取板·

温石棉细小纤维性能及其对石棉胶乳抄取板质量的影响

夏新兴成艳娜

(陕西科技大学造纸工程学院,陕西西安,710021)

以五级温石棉为研究对象,通过筛分的方法,把石棉纤维分成长纤维和细小纤维两部分,对长纤维单独磨浆,然后与筛分收集到的细小纤维以不同比例混合后配抄,探讨长纤维磨浆转数、细小纤维含量对石棉胶乳抄取板性能的影响。结果表明,与直接对石棉原料进行磨浆相比,单独对筛分得到的长纤维磨浆然后与细小纤维混合后配抄,可使抄取板的抗张指数提高64.5%。长纤维最佳的磨浆转数为1500转,当细小纤维含量为30%时,抄取板的抗张指数最大,为11.3 N·m/g。

石棉纤维;筛分;磨浆;细小纤维;抗张指数

(＊E-mail:chengyanna01@yahoo.cn)

Abstract:The asbestoswas fractionated to long fibers and fine components,the long fibers were refined separately by PFImill and mixed with the fines in various ratios to make the asbestos sheet.The influence of PEI revolution,amount of the fines on the properly of the sheet was studied.The results indicated that compared to the asbestos refined before fractionated,the long fiber component refined separately can increase the tensile index of the sheet by 64.5%.When long fibers are refined to 1500 revolution and the amountof fine is 30%,the tensile index of the sheet reaches to the maximum,11.3 N·m/g.

Key words:asbestos fiber;fractionated;beating;fines;tensile index

温石棉是由硅氧四面体片和“氢氧镁石”八面体片组成的结构层卷曲的管状纤维矿物,是相关材料工业的重要多功能性原材料[1]。在密封行业,石棉橡胶制品的生产工艺主要有造纸法和混炼模压法。造纸工艺法生产效率高、产品性能稳定、污染少[2]。但是国内利用造纸法生产的抄取板的强度指标一直不是特别理想。

石棉胶乳抄取板的主要组成部分是石棉纤维、填料、胶黏剂和各种辅料[3]。其中温石棉纤维是石棉胶乳抄取板的重要组成部分,主要起耐热和增强作用,并直接影响抄取板的成张工艺性,它的物理化学特性也直接决定了石棉胶乳抄取板的最终性能。一般工厂在使用前都会对石棉纤维进行打浆,以改善纤维的分丝效果,增强与各种助剂的结合能力。用于生产石棉胶乳抄取板的五级温石棉纤维中,通过0.075 mm(即200目筛网)的细小石棉所占比例均超过50%,有的高达76%[4]。如果直接对石棉原料进行打浆处理,一方面会使长纤维被切断,产生更多的细小纤维,另一方面会使原料中本来就存在的细小纤维变得更加细小,这将影响石棉胶乳抄取板的生产过程,造成滤水困难,助剂功效降低,产品强度差。为获得较高强度的抄取板,本研究将温石棉原料预先进行筛分,分别收集长纤维和细小纤维,对长纤维单独进行打浆,然后与细小纤维以不同比例混合配抄。主要探讨温石棉长纤维磨浆转数和细小纤维含量对浆料及石棉胶乳抄取板(以下简称抄取板)强度性能的影响。

1 实验

1.1 原料与主要设备

五级温石棉,取自西安信力石棉总厂。

筛浆机:陕西科技大学机械厂;DCS-041PT型PFI磨浆机:加拿大产;ZQJ-BT型纸样抄取器:陕西科技大学机械厂;PCD-3胶体电荷滴定仪:德国MüTEK公司;DDJ动态滤水仪:美国造纸研究材料(PRM)公司;SZP-06型Zeta电位测定仪:德国MüTEK公司;Nano-2s型纳米粒度仪及Zeta电位测定仪:英国马尔文公司;多媒体显微镜:奥地利MOTI C公司。

1.2 实验方法

1.2.1 筛分

采用直径为300 mm的筛浆机,选用200目的筛网,对经过疏解的温石棉原料进行筛分,分别收集长纤维和细小纤维。

1.2.2 磨浆

采用PFI磨浆机对收集到的长纤维进行磨浆,磨浆转数设定为800、1500和2500转,磨浆浓度10%,磨浆间隙为0.2 mm。

1.2.3 抄纸

将不同磨浆转数的温石棉长纤维与筛分收集到的细小纤维以不同的比例充分混合均匀(细小纤维的含量:0、10%、20%、30%、40%、50%、60%),依次加入填料、胶乳、助留助滤剂,稀释至浆浓为0.5%,然后抄片。

1.2.4 分析检测

分别检测不同磨浆转数和细小纤维含量下浆料的打浆度、Zeta电位。按照GB/T453—1989检测抄取板的抗张强度。

2 结果与讨论

2.1 温石棉原料经筛分后的基本物理性能

测定温石棉纤维筛分所收集的长纤维和细小纤维的基本性能指标,如打浆度、电荷密度、Zeta电位,结果见表1。

表1 不同筛分纤维的浆料性能对比

从表1中可以看出,温石棉纤维为正电性,经过筛分收集的长纤维为正电性而细小纤维为弱的负电性,温石棉长纤维的正电性和电荷密度均高于温石棉原料。温石棉纤维带正电性的原因是由于温石棉纤维中常含有FeO、Fe2O3、Al2O3、CaO、MnO2、Cr2O3等杂质。这些杂质有些直接进入晶格,取代结构中的部分Mg,形成类质同相混合物,有些是机械混合物,分布于石棉纤维中,从而使温石棉纤维带正电[5]。长纤维中含有较多的这些杂质,因此,带较高的正电性。相对来说,由于细小纤维体积很小,因此包裹的这些杂质也较少,同时,由于细小纤维比表面积很大,因此,在水中时,Al3+、Fe3+、Mn4+等杂质容易从纤维表面溶出,从而使纤维带弱负电性。

利用DDJ动态滤水仪测定温石棉中的细小纤维含量[6],由表1可见,通过200目筛网的细小纤维在浆料中约占51.29%,可见温石棉原料中的细小纤维含量很高,不适宜对其直接打浆。

2.2 筛分对浆料性能及抄取板强度的影响

将温石棉原料磨浆1500转,记为筛分前的浆料;将温石棉原料预先筛分,然后单独对长纤维磨浆1500转,再与筛分收集到的细小纤维混合均匀,记为筛分后的浆料。在两种浆料中依次加入填料、胶乳以及助留助滤剂,测定打浆度、Zeta电位,并抄片测抗张强度,结果见表2。

表2 筛分前后浆料性能及抄取板强度

由表2可见,同样是磨浆1500转,筛分后的浆料与未经筛分的浆料相比,打浆度降低,Zeta电位上升,而抄取板的抗张指数提高了64.5%。因此,单独对长纤维进行打浆处理,可降低细小纤维的含量,改善滤水性能,提高抄取板的强度。

由此可见,温石棉纤维筛分并单独对长纤维打浆处理是一种更合理的浆料处理工艺。

2.3 长纤维和细小纤维的形态观测

温石棉原料经过筛浆机筛分后得到长纤维和细小纤维,其电子显微镜照片如图1所示。对比可知,两者差别明显。长纤维呈细丝状,纵横交错,比较柔软;而细小纤维部分主要是短小的纤维和碎片,进一步证明细小纤维加入量过多时会堵塞纤维网络,导致滤水性能变差。温石棉长纤维中存在着大量的长纤维束,因此,在打浆过程中应将这些纤维束进行充分的疏解分丝,以提高纤维之间的交织能力,从而改善抄取板的强度。

2.4 打浆对温石棉长纤维性能的影响

取一定量不同磨浆转数的石棉长纤维,分散稀释,依次加入填料、胶乳和助留助滤剂,配制成一定的浆料浓度,测定打浆度、Zeta电位,抄片测抗张强度。其结果如表3所示。

表3 打浆对温石棉长纤维性能的影响

由表3知,随着磨浆转数的增加,温石棉长纤维的打浆度迅速上升,Zeta电位下降,细小纤维含量增加,而抄取板的抗张指数先增大后减小。这是由于温石棉纤维打浆过程中容易发生脆裂,使得细小纤维的含量增加,打浆度上升。由于在打浆过程中,随着纤维的细纤维化,纤维中的Al3+、Fe3+、Mn4+等杂质从纤维中溶出,从而使纤维的Zeta电位不断下降。

随着长纤维磨浆转数的增加,抄取板的抗张指数先增大后减小,其中磨浆转数为1500转时,抗张指数最大。这是因为未磨浆的长纤维中含有较多的纤维束(如图1所示),而磨浆2500转时细小纤维含量达到46.62%,这都会影响带有高正电性的温石棉长纤维与负电性的胶乳及填料之间的结合;磨浆800转和1500转时纤维能够产生较好的分丝效果(见图2),细小纤维含量相对较少,为30%到38%,此时纤维的相互交织能力较强,导致抄取板的抗张指数较高。因此温石棉长纤维最佳的磨浆转数为1500转。

2.5 长纤维打浆转数及细小纤维含量对温石棉浆料性能和抄取板强度的影响

取温石棉长纤维(不同磨浆转数),依次加入筛分收集到的细小纤维(不同比例)、填料、胶乳以及助留助滤剂,利用疏解机使其分散均匀,分别测定浆料的打浆度、Zeta电位,并抄片测抗张强度,结果见图3～图5。

2.5.1 对打浆度的影响

由图3可知,总体而言,随着长纤维磨浆转数和细小纤维含量的增加,打浆度呈现上升的趋势。这是因为,浆料的打浆度主要受纤维分丝疏解程度和细小组分含量两个因素的影响。温石棉纤维是一种脆性较高的矿物纤维,其在打浆过程中产生分丝细纤维化的同时也会受到挤压、揉搓等作用,容易发生脆裂[5],使得细小纤维的含量增加,打浆度上升。

2.5.2 对Zeta电位的影响

由图4可见,随着细小纤维添加量的增加,温石棉浆料的Zeta电位呈现下降趋势,这是因为细小纤维本身带有负电性,当加入到呈正电性的温石棉长纤维浆料中时,细小纤维会吸附到温石棉长纤维表面,对纤维的双电层的“压缩作用”增大,使得浆料的Zeta电位下降,并且随着细小纤维含量的增加,这种“压缩作用”增大,造成Zeta电位逐渐下降。

由图4还可以看出,在相同的细小纤维含量下,随着长纤维磨浆转数的增加,温石棉浆料的Zeta电位下降。其板的抗张指数先增大后减小,其中磨浆转数为1500转时,抗张指数最大。其原因与温石棉长纤维打浆对抗张指数的影响相同。

综合以上实验可知,温石棉长纤维最佳的磨浆转数为1500转,当细小纤维添加量为30%时,抗张指数最大,为11.3 N·m/g。

3 结论

3.1 温石棉本身为正电性,经过200目筛网筛分收集的长纤维为正电性,而细小纤维为负电性。利用DDJ动态滤水仪测得通过200目筛网的细小纤维在浆料中约占51.29%。与对温石棉原料直接进行打浆相比,单独对筛分后的长纤维打浆,然后与细小纤维混合,可使浆料的打浆度下降,Zeta电位上升,抄取板的抗张指数提高64.5%。因此,长短纤维分开处理效果更好。

3.2 随着磨浆转数的增加,温石棉长纤维中的细小纤维含量增加,打浆度迅速升高,Zeta电位下降,抗张指数先增大后减小。长纤维最佳的磨浆转数为1500转,此时抗张指数可达到10.2 N·m/g。

3.3 在相同的细小纤维含量下,随着磨浆转数的增加,长纤维与细小纤维混合后浆料的打浆度上升,Zeta电位下降;抄取板的抗张指数先增大后减小。

3.4 在相同的磨浆转数下,随着细小纤维含量的增加,长纤维与细小纤维混合后浆料的打浆度呈现上升趋势,Zeta电位呈现下降趋势,抄取板的抗张指数先增大后减小。磨浆为800转和1500转的石棉长纤维,当细小纤维含量为30%时抗张指数达到最大,分别为8.07和11.3 N·m/g。原因与长纤维Zeta电位随磨浆转数的增加而逐渐下降的原因相同。

2.5.3 对抄取板抗张强度的影响

由图5可知,在相同的磨浆转数下,随着细小纤维含量的增加,抄取板的抗张指数先增大后减小。未磨浆和磨浆2500转的浆料,当细小纤维含量为20%时抗张指数达到最大,分别为7.22和10.7 N·m/g,而磨浆后的浆料当细小纤维含量为30%时抗张指数达到最大,分别为8.07和11.3 N·m/g。这是由于细小纤维作为一种添加剂加入到温石棉纸料中,可以与温石棉纤维较好结合,从而使得抄取板的强度增大,但是当细小纤维含量过高时,带有负电性的细小纤维又会影响带有高正电性的温石棉长纤维与负电性的胶乳以及填料之间的结合,使得抄取板的强度下降。

对比不同磨浆转数下的抗张指数可知,在相同的细小纤维含量下,随着长纤维磨浆转数的增加,抄取

[1] 万朴.我国温石棉-蛇纹石工业及其结构调整与发展[J].中国非金属矿工业导刊,2002(5):8.

[2] Randall J Rogers,Richard P Foster,Kimberly L Waster.Considerations in the formulation of gasket materials[J].Tappi Journal,1991 (9):127.

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[4] 夏新兴,胡玉霞.石棉胶乳抄取板抄造工艺条件对强度的影响研究[J].非金属矿,2006(6):64.

[5] 夏新兴,郑君熹,马娜.槽式打浆与盘磨打浆对石棉纤维松解分丝性能影响的研究[J].非金属矿.2006,(5):39.

[6] 文飚,何北海.动态滤水仪(DDJ)的特性及其应用[J].广东造纸,1998(4):24.

(责任编辑:马忻)

The I nfluences of Ref ined Longer Fibers and Fines on Tensile Strength of the Asbestos Sheet

X IA Xin-xing CHENG Yan-na＊

(College of Paper m aking Engineering,Shaanxi University of Science&Technology,Xi'an,Shaanxi Province,710021)

夏新兴先生,博士,教授,研究生导师;主要研究方向:湿部化学及特种纸。